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Sport pusht das Gedächtnis

Was dem Körper gut tut, gilt offenbar auch für das Gehirn. Neurowissenschaftler der Universität Genf wiesen nach, dass eine intensive körperliche Trainingseinheit von nur 15 Minuten das Gedächtnis und den Erwerb neuer motorischer Fähigkeiten verbessert. 

Um die Wirkung zu testen, mussten 15 junge Männer einen Gedächtnistest nach drei unterschiedlichen Szenarien durchführen: nach 30 Minuten mäßigen Radfahrens, nach 15 Minuten intensiver Bewegung oder nach einer Ruhephase. Danach wurden sie gebeten Aufgaben am Computer zu erledigen wobei auch getestet wurde, wie schnell gewisse Bewegungen erlernt wurden.

Zusätzlich zu den Ergebnissen dieses Tests beobachteten die Wissenschaftler Veränderungen in der Aktivierung bestimmter Gehirnstrukturen und führten Bluttests zur Messung der Endocannabinoidspiegel durch. Endocannabinoide werden bei körperlicher Anstrengung produziert und binden an spezifische Rezeptoren im Gehirn. Sie lösen ein Gefühl der Euphorie aus und binden auch am Hippocampus, dem Teil des Gehirns, das für die Gedächtnisleistung zuständig ist.

Die Analysen belegten eine Zunahme der Gedächtnisleistung mit Zunahme der körperlichen Aktivität. Diesem Muster folgte auch der Endocannabinoidspiegel: Je höher dieser nach intensiver körperlicher Anstrengung anstieg, desto besser waren auch die Leistungen des Gehirns. 

Die neuen Daten könnten zur Entwicklung neuer Strategien zur Verbesserung oder Erhaltung der Gedächtnisfunktion beitragen. Untersucht werden soll auch, inwieweit sich Gedächtnisdefizite bei  der Entwicklung von Alzheimer durch sportliche Aktivitäten bremsen lassen.

Referenzen:
Universität Genf
Effect of acute physical exercise on motor sequence memory, Scientific Reports 10, 2020; https://doi.org/10.1038/s41598-020-72108-1

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Wie Hirnzellen umlernen

Menschen wie Tiere haben die Fähigkeit, sich immer wieder auf neue Situationen einzustellen. Die biologischen Prozesse, die diese Leistungen ermöglichen, sind noch sehr unvollständig verstanden. Das Institut für Hirnforschung der Universität Zürich illustrierte nun im Mausmodell, welche Nervenzellen im Gehirn dabei das Kommando haben.

Für die Versuche simulierten die Forscher in Mäusen einen Prozess des Umlernens und untersuchten auf Ebene einzelner Nervenzellen, was dabei im Gehirn passiert. Zunächst trainierten sie die Tiere darin, nach einer Berührung der Tasthaare mit grobkörnigem Sandpapier zu schlecken – was zu einer Belohnung mit Zuckerwasser führte. Bei Berührung mit feinkörnigem Sandpapier hingegen durften sie nicht schlecken, sonst löste dies ein unangenehmes Geräusch aus. Hatten die Mäuse dies verstanden, wurde der Spiess umgedreht: Nun gab es die Belohnung bei feinkörnigem Sandpapier, was diese schnell erlernten.

Dabei erwies sich, dass ein Teil der Grosshirnrinde, eine Gruppe von Hirnzellen des orbitofrontalen Kortex während des Umlernens besonders aktiv war. Diese Zellen haben lange Fortsätze, die bis in das Areal der sensorischen Nervenzellen reichen, die bei Mäusen Tastreize verarbeiten. In diesem Areal folgten die Zellen zunächst dem alten Aktivitätsmuster, ein Teil passte sich dann allerdings der neuen Situation an. Die Plastizität dieser Zellen und die Instruktion durch die höhere Instanz des orbitofrontalen Kortex scheint demnach für die Flexibilität des Verhaltens entscheidend zu sein. Wurden diese ausgeschaltet, funktionierte das Umlernen nicht.

Die Forscher nehmen an, dass sich diese fundamentalen Prozesse in ähnlicher Weise auch im menschlichen Gehirn abspielen und die Forschungsergebnisse zum besseren Verständnis von Hirnkrankheiten beitragen können, bei denen diese Flexibilität gestört ist, wie beispielsweise bei Formen von Autismus und Schizophrenie.

Referenzen:

Universität Zürich https://www.media.uzh.ch/de/medienmitteilungen/2020/Flexibles-Handeln.html

Value-guided remapping of sensory cortex by lateral orbitofrontal cortex, Nature 2020; https://doi.org/10.1038/s41586-020-2704-z

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Welche Neurotransmitter steuern die Motivation?

Welche Substanzen im Gehirn unsere Motivation steuern und aufrechterhalten, stand im Fokus einer wissenschaftlichen Untersuchung der ETH Lausanne (EPFL) mit der Universität Edinburgh. Um die Motivation zu testen und zu quantifizieren, entwarf das Team eine sogenannte „monetary incentive force task.“ Die Teilnehmer wurden gebeten, einen Kraftmesser 120 mal zu drücken. Je nach Krafteinsatz erhielten sie zwanzig, fünfzig oder einen Franken. Die verschiedenen Summen sollten die Probanden zur Entscheidung drängen, ob und wie viel Energie sie in diese Aufgabe stecken. Zeitgleich wurden die Gehirne der 43 teilnehmenden Männer mittels Protonenmagnetresonanzspektroskopie gescannt, um Metaboliten im Nucleus accumbens zu messen.

Die Analyse ergab, dass der Schlüssel zur Leistung – und zur Motivation – im Verhältnis von zwei Neurotransmittern liegt: Glutamin und Glutamat. Die Forscher stellten auch fest, dass die Probanden die den Test zugleich mit anderen Teilnehmern – also unter Gruppendruck – absolvierten, noch motivierter waren. Das betraf besonders jene mit einem niedrigen Glutamin-Glutamat-Verhältnis im Nucleus accumbens.

Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Motivations-Neurowissenschaft und könnten dabei helfen, therapeutische Strategien zu entwickeln. Unter anderem Ernährungsinterventionen, die Defizite bei der Leistungsbereitschaft durch eine gezielte Beeinflussung des Stoffwechsels beheben.

Referenzen:
EPFL, The University of Edinburgh
https://actu.epfl.ch/news/the-neuroscience-of-getting-and-staying-motivate-3
Glutamine-to-glutamate ratio in the nucleus accumbens predicts effort-based motivated performance in humans. Neuropsychopharmacology, 13.8.2020.
https://doi.org/10.1038/s41386-020-0760-6

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